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Mikrobionik

Feuermelder aus der Natur

Am Forschungsinstitut Caesar in Bonn entwickelt ein Team von Forschern einen winzigen Infrarotsensor, der zur Überwachung von waldbrandgefährdeten Gebieten genutzt werden könnte. // von Jonas Lorscheid

6.2.2014 // An ersten Prototypen des Sensors wurde bereits vor zehn Jahren an der Universität Bonn geforscht, diese waren jedoch größer und unempfindlicher als herkömmliche Sensoren. Siegfried Steltenkamp, Wissenschaftlicher Leiter der Forschungsgruppe Mikrosystemtechnologie am Forschungszentrum Caesar, ist es nun, in Zusammenarbeit mit seinem Team und dem Fachbereich der Zoologie der Universität Bonn, gelungen, den sogenannten Machbarkeitsnachweis für den von ihnen entwickelten Mikrosensor, nach Vorbild des Schwarzen Kiefernprachtkäfers zu erbringen. Das bedeutet, dass der Sensor in der Lage ist, Infrarotimpulse in Kapazitätsänderungen umzusetzen und korrekte Ergebnisse zu liefern. "Das ist der Beweis, dass unser mikrobionischer Ansatz vom Prinzip her funktioniert", so Steltenkamp. Lange Zeit hatte man versucht, die Funktionsweise der Sinneszelle des Käfers auf den Chip zu übertragen und war an den unglaublich winzigen Dimensionen gescheitert.

Das Vorbild aus der Natur

Der Schwarze Kiefernprachtkäfer ist mit einem ungewöhnlichen Sinnesorgan ausgestattet. Sinneszellen an seinem mittleren Beinpaar ermöglichen es ihm Infrarotstrahlung wahrzunehmen. Diese Fähigkeit nutzt er, um durch Feuer verwüstete Waldgebiete aufzusuchen, denn in dem frisch verkohlten Holz der Bäume legt er seine Eier ab. Auf den ersten Blick mag das Verhalten des pyrophilen Käfers selbstmörderisch erscheinen, doch dahinter steckt eine geniale Taktik der Natur. Zum einen sind laut Helmut Schmitz vom Institut für Zoologie der Universität Bonn die Larven in dem verbrannten Gebiet relativ sicher vor Fressfeinden und zum anderen würden die Larven die Abwehrreaktionen von gesunden Bäumen kaum überstehen.

Die Funktionsweise der Zelle

Für den Nachbau musste zunächst geklärt werden, wie der Käfer die Strahlung registriert. Ist der Käfer Infrarotstrahlung ausgesetzt, treffen die Strahlen auf eine Anordnung mehrerer Sinneszellen ("Sensillen"), deren Größe genau auf die Absorptionslänge von Infrarotstrahlung abgestimmt ist. In diesen Sinneszellen befindet sich eine mit Flüssigkeit gefüllte Druckkammer. Die einfallende Strahlung erwärmt die Flüssigkeit und diese dehnt sich aus. Im unteren Teil der Sinneszelle befindet sich ein Ausläufer einer Nervenzelle (ein sogenannter Dendrit), der auf Druck reagiert und diesen Reiz weitergibt. Um zu verhindern, dass die Sensillen auf große Veränderungen der Umgebungstemperatur reagieren, besitzen sie viele kleine Kanäle für einen Druckausgleich. 50 bis 100 dieser Sinneszellen befinden sich auf jeder Seite des Käfers und ermöglichen ihm die Ortung der Infrarotquelle. Um eine räumliche Einordnung vorzunehmen, bewegt der Käfer seinen Körper in verschiedene Richtungen. Dieser Vorgang wird auch als "choppen" bezeichnet. Durch die feinen Unterschiede zwischen den beiden Seiten ist es dem Käfer möglich, die Richtung der Strahlung zu identifizieren.

Transfer des Prinzips

Die Funktion des Dendriten wird von einem Kondensator übernommen. Der Druckausgleich gelingt durch ein mikro-fluidisches System, welches die Druckkammer mit einer Ausgleichkammer verbindet. Die Sensillen haben einen Durchmesser von 15 Mikrometern, was ungefähr einem Sechstel eines menschlichen Haars entspricht. Diese Größenordnung erschwerte die Konstruktion des Sensors. "In der Mikrobionik geht es darum ein Prinzip aus der  Natur zu verstehen und anschließend erfolgreich als ein miniaturisiertes System in die Technik zu übertragen", so Steltenkamp.

Technologische Herausforderungen

Die größte Hürde bestand im Abstand der Flächen zwischen den einzelnen Elektroden. Diese haben einen Durchmesser von 500 Mikrometern, bei einem Abstand von 0,5 Mikrometern untereinander. Dies entspricht in etwa einem Kabel, das bei einem Kilometer Länge nur einen Meter durchhängen darf. Im Kleinen ist dies den Caesar-Technologen gelungen.

Weitere Herausforderungen für die Konzeption der Chips waren der Ausgleichskanal und das blasenfreie Befüllen der Druck- und der Ausgleichskammer mit Wasser. Der Kanal hat eine Länge von mehreren Zentimetern und wird in den nur 16 Quadratmillimeter kleinen Sensorchip eingeätzt, um die beiden Kammern für einen Druckausgleich zu verbinden. Damit der Sensor verlässliche Ergebnisse liefert, muss sichergestellt sein, dass keine eingeschlossene Luft das Ergebnis verfälscht.

Schaubild Transfer Zelle zu Chip

1: Kondensator / Dendrit; 2: Druckkammer; 3: Ausgleichskanal; 4: Ausgleichskammer; Grüne Schicht: dehnbare Membran zum Druckausgleich aus PDMS // Bild: Lorscheid

Herstellung im Reinraum

Um diesen winzigen Sensor nachzubauen, ist modernste Technologie von Nöten. Dazu gibt es am Forschungszentrum Caesar in Bonn einen 450 Quadratmeter großen Reinraum. Darin wird die Luft durch ständiges Zirkulieren und Absaugen gereinigt. Während sich in 30 Litern "normaler" Zimmerluft circa 200.000 Partikel befinden, sind es im Reinraum weniger als zehn Teilchen in der gleichen Menge Luft. Ein so hohes Maß an Sauberkeit ist nötig, um die winzigen Strukturen auf den Mikrochips herstellen zu können. Die Strukturgrößen bei der Herstellung der Sensoren betragen wenige Mikrometer. Daher kann ein einziges Staubkorn mit einer Größe von 100 bis 200 Mikrometern großen Schaden anrichten.

Als Basis für die Sensoren dienen Silizium-Wafer - dünne Scheiben, auf die mit unterschiedlichen Verfahren Materialschichten aufgebracht werden. Überflüssiges Material wird unter anderem mit Hilfe von Säuren wieder entfernt. Da auf eine dieser Scheiben mehrere 100 Sensoren passen, lassen sich letztere sehr günstig herstellen.

Die Einsatzgebiete des Sensors

Ein solcher Chip ließe sich laut Steltenkamp dort einsetzen, wo er auch dem Käfer in der Natur nützen würde. Bedingt durch die Bauweise sei bei seinem Chip keine Kühlung, wie bei herkömmlichen Sensoren, erforderlich. Vor allem sei der Chip zur Überwachung von Gebieten mit Waldbrandrisiko geeignet, entweder stationär als Brandanzeiger oder in Löschflugzeugen zur Ortung der Brandherde durch den dichten Rauch. Durch ihre geringe Größe können mehrere der Chips auch als Bildsensor in Infrarotkameras eingesetzt werden. Auch eine militärische Nutzung, zum Beispiel in Drohnen, sei möglich, aber nicht im Sinne des Erfinders. "Ich hoffe, dass meine Forschung niemals für militärische Zwecke missbraucht wird", äußert sich Steltenkamp.

Jonas Lorscheid

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